Instrukcja stanowiskowa

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii Instytut Inżynierii Mechanicznej w Płocku Zakład Aparatury Przemysłowej LABORATORIUM WYMIANY CIEPŁA I MASY Instrukcja stanowiskowa Temat: Badanie wymiany ciepła w płytow ym wymienniku ciepła. Instrukcję opracował : dr inż. Mirosław Grabowski Płock, 2006

2 1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest badanie intensywności wymiany ciepła wprzeciwprądowym wymienniku płytowym, w zależności od temperatur i prędkości przepływu płynów wymieniających ciepło. 2. Podstawy teoretyczne. 2.1 Wprowadzenie Płytowe wymienniki ciepła charakteryzują się najwyższą sprawnością wśród aparatów do wymiany ciepła. Do zasadniczych zalet wymienników płytowych należyzaliczyć: wysokie wartości współczynników wnikania ciepła stosunkowo małe opory przepływu zwartą budowę charakteryzującą się wysokim stosunkiem powierzchni wymiany ciepła do objętości aparatu, w przypadku aparatów rozbieralnych, prosty dostęp do wnętrza wymiennika i możliwość łatwego czyszczenia powierzchni wymiany ciepła, małe zużycie materiału na jednostkę strumienia cieplnego, prostota i technologiczność wykonywania elementów wymiennika. Przemysłowe płytowe wymienniki ciepła mogą być konstruowane jako jednosekcyjne, wielosekcyjne lub kombinowane. Jednosekcyjnym nazywamy wymiennik, w którym wymianie uczestniczą tylko dwa robocze media. Jeżeli w aparacie zachodzi kilka wzajemnie powiązanych procesów, przebiegających w różnych jego strefach, to taką konstrukcję nazywa się kombinowaną. Współczynniki wnikania ciepła osiągają w wymiennikach płytowych wartości W/m 2 K, dla wody lub wodnych roztworów soli. Wartości te są, więc do 3 razy większe niż w wymiennikach płaszczowo-rurowych. Wysokie wartości współczynników wnikania powodowane są intensywnymi zawirowaniami czynników wywoływanymi przez stosowanie licznych przetłoczeń w płytach separujących media. Inną korzystną cechą wymienników płytowych jest możliwość pracy przy małej różnicy temperatur między czynnikami, rzędu (2-3 K).

3 2.2.1 Przenikanie ciepła przez przegrodę płaską. Rys 1. Rozkład temperatury przy przenikaniu ciepła przez przegrodę płaską Przepływ ciepła między płynami, o różnych temperaturach, rozdzielonymi ścianką, nosi nazwę przenikania ciepła. Obejmuje ono: przewodzenie ciepła przez przegrodę oraz wnikanie ciepła na obu powierzchniach ścianki. Wielkość strumienia przepływającego ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatur płynów i powierzchni wymiany ciepła. Ujmuje to równanie Pecleta : Q k F T A T B (1) gdzie: F pole powierzchni wymiany ciepła [ m 2 ] T A - temperatura płynu A [ K ] T B - temperatura płynu B [ K ] k współczynnik przenikania ciepła określony wzorem: gdzie: - grubość ścianki (2) k A B W 2 m m K - przenikalność cieplnamateriału ścianki W, m K

4 A, B - współczynniki wnikania ciepła czynników A i B W 2 m K 2.2 Przejmowanie ciepła przy przepływie wymuszonym przez kanały. Współczynnik wnikania ciepła, niezbędny do wyznaczania strumieniaciepła wnikającego od płynu do ścianki i od ścianki do płynu można wyznaczyć ze wzoru definicyjnego liczby Nusselta gdzie: Nu - przewodność cieplna płynu d (3) W m K d średnica wewnętrzna rury lub średnica równoważna kanału niekołowego m wyrażona wzorem: d r A 4 (4) P P długość obwodu przekroju poprzecznego kanału zwilżonego przez płyn 2 A pole powierzchni przekroju poprzecznego m Dla wymiennika zastosowanego w stanowisku pomiarowym średnicę równoważną można wyznaczyć za pomocą przybliżonej zależności d 2 (5) r gdzie: δ minimalna odległość między przetłoczeniami (ryflami) w płyciewymiennika m W praktyce inżynierskiej, do określenia liczby Nusselta dla przepływów występujących w wymiennikach płytowych używa się wzorów kryterialnych. Określają one, dla danej geometrii kanału, charakteru przepływu, własności czynnika, zależność liczby Nusselta jako funkcji liczb Reynoldsa i Prandtla: Nu f Pr Re, (6) f Pr, l Prw m gdzie: liczba Reynoldsa wyrażona jest wzorem: w d Re (7)

5 Q m A c pa T A1 T A 2 m B c pb T B 2 T B 1 gdzie: w średnia prędkość płynu m s - współczynnik lepkości kinematycznej Liczba Reynoldsa charakteryzuje przepływ, który może mieć charakter laminarny,przejściowy lub turbulentny. Liczba Prandtla określona jest wzorem: c Pr p (8) gdzie: J c p ciepło właściwe kg K N s - współczynnik dynamiczny lepkości 2 m Dla wymiennika zastosowanego w stanowisku pomiarowym liczba Nusselta określona jest zależnościami: dla 0,1 < Re < 50 Nu Pr Pr 0,33 0,33 0,25 0,63 Re Pr ( ) (9) ść m 2 s dla 50 < Re Nu Pr Pr 0,73 0,43 0,25 0,135 Re Pr ( ) (10) ść Własności fizyczne płynu występujące we wzorach kryterialnych, takie jak, powinny być określone dla tej samej umownej temperatury odniesienia np. średniej temperatury płynu. Strumień ciepła przenikający przez ścianki wymiennika jest w stanie ustalonym równy zmianom entalpii płynów, co przy c p = const daje T T m Bc pb T T A1 A2 B2 B Q m Ac pa 1 A, m B - strumienie masy przepływających czynników m (11) kg s c pa, c pb ciepło właściwe J kg K T A1 temperatura czynnika ciepłego na wlocie do wymiennika K T A2 temperatura czynnika ciepłego na wylocie z wymiennika K T B1 temperatura czynnika chłodnego na wlocie do wymiennika K T B2 temperatura czynnika chłodnego na wlocie z wymiennika K

6 Q k F T Strumień ciepła wymieniany między płynami w wymienniku można wyznacz yć również z zależności (12), w której uwzględniony jest współczynnik przenikania ciepła k obliczany według wzoru (2). Q k F T m (12) gdzie: 2 F powierzchnia wymiany ciepła m, k współczynnik przenikania ciepła wyznaczany z zależności (2), T m średnia logarytmiczna różnica temperatur (siła napędowa procesu wymiany ciepła) wyrażona wzorem (13): gdzie: T 1 2 T m (13) T1 ln T T ΔT 1, ΔT 2 Różnice temperatur na wlocie i wylocie z wymiennika 2 W zależności (10) uwzględnia się średnią logarytmiczną różnicę temperatur, ponieważ różnica temperatur czynników w wymienniku jest zmienna.

7 3. Przebieg ćwiczenia i opracowanie wyników. Rys 2. Schemat stanowiska laboratoryjnego Po uruchomieniu ultratermostatu i osiągnięciu odpowiedniej temperatury wody, należy ustawić przeciwprądowy przepływ płynów A i B przy pomocy zaworów sterujących, znajdujących się na tablicy. Dla trzech przepływów płynu A ustawić po trzy przepływy płynu B i dla każdego ustawienia odczytać: strumień objętości płynu A, strumień objętości płynu B, temperaturę T A1, T A2, T B1, T B2. Pomiary należy rozpoczynać po 5 minutach pracy urządzenia po zmianie ustawień w celu uzyskania stanu ustalonego.

8 Na podstawie wyników pomiarów i parametrów termodynamicznych odczytanych z tablic, należy określić: - strumienie objętości w m 3 /s i strumienie masy w kg/s obu przepływających płynów - prędkości przepływu płynu w kanałach wymiennika - średnica równoważną przekroju kanału - liczby Reynoldsa - liczby Nusselta po określeniu charakteru przepływu obu czynników i zastosowaniu odpowiednich wzorów kryterialnych - współczynniki wnikania ciepła A i B i porównać z danymi literaturowymi - współczynnik przenikania ciepła k (zależność (2)) i porównać z danymi literaturowymi - średnie logarytmiczne różnice temperatur - strumień ciepła oddany przez płyn A - strumień ciepła przenikający do płynu B - strumień strat ciepła do otoczenia - bilans cieplny wymiennika na podstawie zależności (11). Obliczone wielkości porównać z uzyskanymi wcześniej. 4. Literatura. 1. T. Hobler : Ruch ciepła i wymienniki. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa B. Staniszewski: Termodynamika. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa E. Kostowski: Przepływy ciepła. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice W. Gogół: Wymiana ciepła. Tablice i wykresy. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa S. Wiśniewski, T. Wiśniewski: Wymiana ciepła. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1997.